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血氧機如何監測血氧?穿戴裝置的測量準確嗎?——關於血氧檢測的二三事

Aaron H._96
・2021/06/08 ・2715字 ・閱讀時間約 5 分鐘

某些 COVID-19(也稱新冠肺炎、武漢肺炎)患者會有快樂缺氧(也被稱為「隱性缺氧」)而導致突然崩潰的現象(延伸閱讀:COVID – 19 患者的隱形殺手:快樂缺氧。為什麼會發生?該如何預防?),也因此血氧機、血氧 APP 各種帶有血氧測試功能的穿戴式裝置,在近期都取得了不少的關注。

測量血氧最重要的目的,是要了解身體內氧氣交換的狀況。

血氧會受到大氣壓力、呼吸道是否通暢、是否貧血、肺泡交換氣體的能力等因素影響。各種不同的血氧測量方式,也會影響血氧值的準確程度。

目前醫療認可的血氧測量的方式,主要有兩種:一種是用「血氧機」測得 SpO2 (脈搏血氧飽和度),一種則是用從「血液」測得 SaO2(動脈血氧飽和度)。使用血氧機的好處是測量容易、非侵入式,但也容易因為測量方式的不同,影響準確度;而利用血液測量血氧濃度則較為直接、準確,但過程比較麻煩,需要由醫療人員抽血才能得到。 

血氧機怎麼測?脈搏血氧飽和度 SpO2

Pulse Oximeter finger digital device to measure oxygen saturation in blood and pulse rate.

SpO2 指的是周邊微血管的血氧飽和度,利用「氧合血紅素」與「血紅素」吸光值不同,用波長 660nm 和波長 940nm 的光所測到的數據。

理論上,血液中的氧氣量不管是在運動或睡眠期間,都應該相對穩定維持在正常值 95%~100%。如果低於 95%,就可能表示有缺氧的現象。

由於血氧機只有兩種波長的光,所以只能測到兩種不同的血紅素,因此 SpO2 的計算公式為:

SpO2 = 氧合血紅素 / (氧合血紅素 + 還原血紅素)

SpO2 最大的好處就是容易測量,但也可能受到許多因素影響,像是手腳冰冷、末端血液循環較差、抽菸、肥胖或是一氧化碳中毒,都有可能影響數據判讀。

由於 SpO2 容易受到影響,所以如果和臨床的症狀不符(例如,患者很喘,但SpO2 在正常範圍內),臨床醫師通常會建議抽動脈血以取得較真實的血氧數據。

目前認為 COVID-19 確診者的 SpO2 一旦低於 94 % 後便會急速下降,因此建議血氧飽和度低於 94% 者,要盡快聯繫醫療人員尋求協助。1

抽血才知道:動脈血氧飽和度 SaO2

The nurse draws blood from a vein for test

SaO2 (Sat O2) 是直接抽取動脈血後,放在血氧分析機下所取得的血氧飽和度。測量動脈血的機器中有四種波長,所以能夠偵測「被一氧化碳結合的血紅素」,比用血氧機測 SpO2 又更接近實際狀況。SaO2 的公式為:

SaO2 = 氧合血紅素 / (氧合血紅素 + 還原血紅素 + 一氧化碳血紅素 + 變性血紅素)

此外,某些呼吸或心臟照護的專責病房,會設有簡便的「動脈血分析儀」,這種分析儀並沒有一氧化碳測定儀 ( CO-oximeter),因此它是假定患者的氧合血紅素解離曲線正常下,帶入 PO2、PCO2 及血液 pH 值所求得的數據,與標準的血氧分析機獲得的資訊仍有可能有差距,僅供參考用。

血氧 APP、運動手環能夠取代血氧機嗎?

醫療用的血氧機必須符合 ISO 80601-2-61:2017 的規範,能夠有效區分 70% ~ 100% 的血氧濃度;但除了醫療用的血氧機和抽血之外,市面上也出現許多運動手環以及血氧 APP,號稱具有偵測血氧數據的功能,究竟這些數據又有多準確呢?

以血氧 APP 為例,使用時會用手指(常用是食指),遮蓋住手機的鏡頭與閃光燈,讓手機上的閃光燈發出強光後,再用鏡頭接收手指微血管的搏動。APP 會利用光體積變化描記圖法(Photoplethysmogram, PPG),紀錄微血管的脈搏。

但一般消費型的手機多半不具備紅外線感光設備,無法像血氧機一樣,取得氧合血紅素的比例,所以這一類的 APP 大多是使用自行開發的演算法,分析拍攝到的影像、並濾出特定顏色的訊號,來「模擬」血氧機的兩種波長。

目前這些模擬的演算法,精準度和敏感度都還沒有獲得食品藥物管理局的認可,因此可信度仍然無法作為醫療決策使用。

市面上出現許多號稱可以測得血氧的APP,但數據其實無法作為醫療使用。

除了血氧 APP 外,價格較昂貴的運動手環則模仿了血氧機的規格,在手錶的背面加上了發光二極體和感測器。

以 iWatch 為例,iWatch 利用背面的四個 LED 發射出紅光、綠光、紅外光來照射手腕上的微血管,再用四個感測器接收反射訊號來測量血氧。

與血氧機不同的是,運動手環偵測血氧的時候,手錶必須緊貼手腕,而皮膚顏色、手腕的毛髮、配戴手錶的位置、錶帶的鬆緊度和運動時的晃動等因素,都會影響測量的準確度,所以目前也還無法作為醫療目的使用。

許多現代穿戴式裝置,也陸續搭載測量血氧的功能。

在家就能做的簡單測試: 6 分鐘步行測試 (6MWT)

如果手邊真的沒有血氧機的話,根據英國國家衛生研究院的建議2,無症狀或是輕症的確診民眾,可以試著在家做 6 分鐘步行測試。

這項測試不需要特殊器材,只要用一般步行的速度,在平地上持續走上六分鐘(60歲以上患者為 3 分鐘),即可初步地評估自己的心肺功能。如果無法完成這項測試、中途需要休息、頭暈喘不過氣甚至覺得自己快要暈倒,表示心肺功能可能較差,請立即停止測試,並聯繫醫療人員或是家庭醫師做進一步檢查。

在家步行 6 分鐘,可簡易評估身體是否缺氧。圖/envato elements

手上有血氧機的人,在也可以在進行 6 分鐘步行測試的同時配帶血氧機。只要血氧一度掉到 93 % 或是掉落幅度大於 3%,也應該盡快聯繫醫療人員,做進一步的診斷和確認3

對於一般呼吸較淺、長時間臥床的年長者;有心臟病、血管疾病、貧血等狀況的患者;常常覺得頭暈頭痛、長時間在封閉空間工作的上班族;晚上打呼,疑似有呼吸中止症或是有抽菸習慣的人,也都可以用上述的方式,注意自己的基礎心肺功能和血氧狀況,盡早接受治療。


參考文獻

  1. 2019 冠狀病毒病 (COVID-19):如何監測您的血氧含量。https://www1.nyc.gov/assets/doh/downloads/pdf/covid/providers/covid-19-monitor-oxygen-patient-handout-ch.pdf
  2. Mantha, S., Tripuraneni, S. L., Roizen, M. F., & Fleisher, L. A. (2020). Proposed Modifications in the 6-Minute Walk Test for Potential Application in Patients With Mild COVID-19: A Step to Optimize Triage Guidelines. Anesthesia & Analgesia, 131(2), 398–402. https://doi.org/10.1213/ane.0000000000004986
  3. What Is The 6-Minute Walk Test For COVID-19? https://pharmeasy.in/blog/what-is-the-6-minute-walk-test-for-covid-19/

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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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